DE102014109281A1

DE102014109281A1 - Verfahren zum Schneiden von Faserverbundkunststoff mit einem Laser

Info

Publication number: DE102014109281A1
Application number: DE102014109281.3A
Authority: DE
Inventors: Marten Canisius; Dirk Herzog; Matthias Schmidt-Lehr
Original assignee: Technische Universitaet Hamburg Harburg; Tutech Innovation GmbH
Current assignee: Technische Universitaet Hamburg Harburg; Tutech Innovation GmbH
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2014-07-02
Publication date: 2016-01-07

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schneiden von Faserverbundkunststoff unter Verwendung eines Lasers, wobei der Faserverbundkunststoff ein Matrixsystem und Verstärkungsfasern enthält oder hieraus besteht, umfassend die Schritte: – Zugeben von einem oder mehreren Additiven, das/die im sichtbaren Spektralbereich (VIS) transparent ist/sind und Licht der Wellenlänge eines einzusetzenden Lasers absorbiert/en, zum Faserverbundkunststoff, wobei die Zugabe vor, während und/oder nach der Herstellung des Faserverbundkunststoffs erfolgt, und – Durchführen eines Schneidvorgangs mit dem Laser. Gegenstand der Erfindung sind auch die mit dem Verfahren erhältlichen Faserverbundkunststoffe. Durch Zugabe von lichttransparenten, laserabsorbierenden Additiven vor, während und/oder nach Herstellung des Faserverbundkunststoffes gelingt es, glatte, nachbearbeitungsfreie Schnittkanten zu erzeugen, wobei gleichzeitig die optischen Eigenschaften, insbesondere das transparente Erscheinungsbild des Faserverbundkunststoffs im wesentlichen beibehalten wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schneiden von Faserverbundkunststoff mit einem Laser.
Faserverbundkunststoff (FVK), der auch als faserverstärkter Kunststoff oder Faser-Kunststoff-Verbund bezeichnet wird, besteht aus einer Kunststoffmatrix und in die Matrix eingebetteten Verstärkungsfasern. Durch die Kombination von Kunststoffmatrix und Fasern entsteht ein neuer Werkstoff, der sich insbesondere durch hohe spezifische Festigkeiten und Steifigkeiten sowie eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit auszeichnet. Die Eigenschaften derartiger Faserverbundkunststoffe können über eine Vielzahl von Parametern eingestellt werden, beispielsweise durch Auswahl von Faser- und/oder Matrixmaterial, Variation des Faserwinkels, des Faservolumenanteils, der Schichtreihenfolge und dergleichen. Faserverbundkunststoffe sind insbesondere geeignete Werkstoffe für Leichtbauanwendungen. Aufgrund ihres Leichtbaupotentials werden Faserverbundkunststoffe daher insbesondere im Fahrzeug- und Flugzeugbau, bei Erzeugung von Windenergie sowie im Sport- und Freizeitsektor eingesetzt.
Für Faserverbundkunststoffe sind besondere Bearbeitungstechniken erforderlich, um dieses Material auch im Rahmen der Massenherstellung bearbeiten zu können. Konventionelle Bearbeitungsverfahren sind aufgrund des erheblichen Werkzeugverschleißes mit hohen Herstellungskosten verbunden oder erlauben keinen brauchbaren Durchsatz für eine Massenproduktion. Bekannt ist es, zum Schneiden von Faserverbundkunststoffen insbesondere ein Fräsen oder Wasserstrahlschneiden einzusetzen. Diese Bearbeitungsverfahren sind jedoch nachteilig. So wird beim Fräsen die Qualität der Schnittfläche wesentlich durch den hohen Werkzeugverschleiß beeinträchtigt, der während des Fräsverfahrens auftritt. Das Wasserstrahlschneiden zeigt diesen Nachteil nicht und führt auch zu der gewünschten Qualität der Schnittfläche, jedoch kann nur mit erheblich geringerer Geschwindigkeit bearbeitet werden, wodurch dieses Bearbeitungsverfahren nicht den gewünschten ökonomischen Standard bereitstellt.
Ein weiteres Bearbeitungsverfahren für Faserverbundkunststoffe ist die Verwendung eines Lasers zum Schneiden. Hierbei wird ein fokussierter Laserstrahl an der Schneidfläche absorbiert, so dass die zum Schneiden erforderliche Energie bereitgestellt wird. Gleichzeitig wird ein Prozessgas, häufig in Verbindung mit einem Cross-jet, eingesetzt, das einerseits den abgetragenen Werkstoff aus der Schnittfuge entfernt und andererseits die Optik vor Spritzern und Dämpfen schützt. Dieses Laserschneiden oder auch Laserstrahlschneiden bietet eine präzise und schnelle Verarbeitung, wobei auch komplexe Umrisse in zwei- oder dreidimensionaler Form erzeugt werden können, das berührungslos und nahezu kraftfrei arbeitet und daher wirtschaftlich von großem Vorteil ist.
Eine bevorzugte Form der Laserbearbeitung ist die sog. Laser-remote-Bearbeitung, die eine besonders schnelle Variante des Laserschneidens darstellt. Dabei wird der Laserstrahl mit Hilfe von sich dynamisch bewegenden Spiegeln stets exakt auf das Bauteil ausgerichtet. Die Positionierung des Laserstrahls erfolgt dabei über eine Entfernung von bis zu etwa 1 m, d. h. entfernt vom Bauteil (”remote”). Gegenüber einer herkömmlichen Laserstrahlbearbeitung können die Spiegel deutlich schneller bewegt werden als ein konventioneller Laser-Bearbeitungskopf, so dass sich die Positionierzeiten signifikant reduzieren lassen. Insbesondere für die Herstellung in industriellem Maßstab zeigt diese Form der Bearbeitung daher große Vorteile. Die Laser-remote-Bearbeitung von Faserverbundkunststoffen verspricht daher eine deutliche Kostenreduzierung, da die Bearbeitung praktisch verschleißfrei und in deutlich kürzeren Bearbeitungszeiten stattfindet.
Vorteilhafterweise werden bei der Remote-Bearbeitung Festkörperlaser eingesetzt, weil die Laserstrahlung dabei durch eine Lichtleitfaser einfach und flexibel geführt werden kann, da hier häufig die Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück durch eine Kombination von Roboter und Scanner erzeugt wird. Dabei ist die Strahlführung von der Strahlquelle hin zum Scanner über den Lichtwellenleiter deutlich einfacher und flexibler. Dies ist insbesondere bei 3D-Bearbeitungsaufgaben vorteilhaft. Die Wellenlänge des Festkörperlasers führt jedoch zu einer geringeren Absorption der Strahlung im Matrixwerkstoff des Faserverbundkunststoffs, wodurch die Bearbeitungsgeschwindigkeit sinkt, jedoch gleichzeitig auch die Bearbeitungsqualität reduziert wird.
Beim Laserschneiden eines Faserverbundkunststoffs wird das abgetragene Material an der Schnittkante entfernt. Problematisch am Laserschneiden eines Faserverbundkunststoffs ist hierbei, dass sich die zwei vorhandenen verschiedenen Werkstoffe, d. h. der Faserwerkstoff und die Matrix, unterschiedlich verhalten. Während das Material der Matrix, die üblicherweise in Form eines Harzsystems vorliegt, bei einigen hundert Grad, z. B. 500°C, verdampft, benötigt das Material der Fasern hierzu in der Regel deutlich höhere Temperaturen. Beide Werkstoffe zeigen zudem ein völlig unterschiedliches Absorptionsverhalten. Die Verstärkungsfasern zeigen herkömmlicherweise ein hohes Absorptionsvermögen, während das Harzsystem im nahen Infrarotbereich nahezu transparent ist.
Typische Beeinträchtigungen an der Schnittkante beim Laserschneiden eines Faserverbundkunststoffs sind beispielsweise die thermische Beschädigung des Matrixmaterials (Wärmeeinflusszone, WEZ; engl. heat affected zone, HAZ), Schmauchablagerungen, Platzer an den Werkstückoberflächen durch Ablösung der äußeren Harzschicht sowie Rissbildungen. Weiterhin ist eine vollständige Durchtrennung von Faserverbundkunststoffen an Stellen, in denen Matrixansammlungen oder auch Faseransammlungen vorliegen, nur unter überproportional hohem Energieeintrag möglich. So kann beispielsweise ein unvollständiges Abschneiden von Faserbündeln als Folge der Reflektion des Laserstrahls an der Schnittkante bzw. -fuge auftreten oder ein Faserbündel in der Mitte der Schnittkante bzw. -fuge wird nicht durchtrennt und verhindert somit ein glattes Durchtrennen des Faserverbundkunststoffs. Insbesondere im Wellenlängenbereich von etwa 350 nm bis etwa 2 μm weisen typische Matrixwerkstoffe eine hohe Transparenz auf, wodurch wiederum besonders große Schädigungen resultieren. Für die industrielle Anwendung kommen jedoch nahezu ausschließlich Lasersysteme gerade in diesem Wellenlängenbereich zum Einsatz, da diese vorteilhafterweise faserführbar sind, d. h. durch beispielsweise ein Glasfaserkabel geleitet werden können.
Im Laborbereich wurde ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem zur Verbesserung der Schnittkantenqualität Rußpartikel zur Harzmatrix zugegeben werden (siehe "Remote Laser Cutting of CFRP: Improvements in the Cut Surface", Johannes Stock, Michael F. Zaeh, Markus Conrad, Physics Procedia, 39 (2012) S. 161–170). Das Einbringen von Rußpartikeln hat jedoch eine Vielzahl von Nachteilen. So führen die Rußpartikel dazu, dass die Fasern im Faserverbundkunststoffmaterial nicht mehr sichtbar sind. Hierdurch gehen jedoch die optischen Eigenschaften des Faserverbundkunststoffs gänzlich verloren und der Faserverbundkunststoff ist nicht mehr transparent. Weiterhin sind Beschädigungen in den oberen Laminatlagen nicht mehr sichtbar, so dass aufwändige Qualitätskontrollverfahren durchgeführt werden müssen. Eine Überprüfung der Qualität wird hierdurch deutlich erschwert. Weiterhin wird durch die Rußzugabe das Verhalten des Werkstoffs verändert. So werden beispielsweise die Ergebnisse bei der Impuls-Thermographie – einem weit verbreiteten Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Faserverbundkunststoffen – die Ergebnisse in unerwünschter Weise beeinflusst, so dass von den üblichen Kontrollverfahren abgewichen werden muss.
Im industriellen Einsatz besteht das Problem einer völlig unzureichenden Schnittkantenqualität beim Schneiden von Faserverbundwerkstoffen daher nach wie vor, weshalb ein Laser zur Bearbeitung von Faserverbundkunststoffen bislang nur in sehr seltenen Fällen überhaupt zum Einsatz kommt.
Der vorliegenden Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden. Insbesondere soll ein Verfahren zum Laserschneiden bereitgestellt werden, bei dem die Schnittkantenqualität der Faserverbundkunststoffe verbessert, die Schädigungszonen im Faserverbundkunststoff auf ein Mindestmaß herabgesetzt und gleichzeitig die Prozesseffizienz verbessert werden soll.
Die oben geschilderte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Schneiden von Faserverbundkunststoff unter Verwendung eines Laser gelöst, wobei der Faserverbundkunststoff ein Matrixsystem und Verstärkungsfasern enthält oder hieraus besteht, umfassend die Schritte:

– Zugeben von einem oder mehreren Additiven, das/die im sichtbaren Spektralbereich (VIS) transparent ist/sind und Licht der Wellenlänge eines einzusetzenden Lasers absorbiert/en, zum Faserverbundkunststoff, wobei die Zugabe vor, während und/oder nach der Herstellung des Faserverbundkunststoffs erfolgt, und
– Durchführen eines Schneidvorgangs mit dem Laser.

Die vorliegende Erfindung stellt daher ein Verfahren bereit, mit dem das Laser(strahl)schneiden von Faserverbundkunststoffen derart verbessert werden kann, dass die Schädigungszonen im Faserverbundkunststoff beim Schneiden minimiert werden, aber gleichzeitig die Effizienz des Verfahrens gesteigert wird. Es wurde festgestellt, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Wärmeeinflusszone signifikant verringert und ein Auf- bzw. Abplatzen der äußeren Bauteilschichten an der Schnittkante verhindert wird. Auch bei Matrix- und/oder Faseransammlungen im Faserverbundkunststoff gelingt ein effizientes Durchtrennen des Faserverbundkunststoffs. Die Zugabe von im sichtbaren Spektralbereich transparenten und gleichzeitig laserabsorbierendem/n Additiven in und/oder auf den Faserverbundkunststoff bewirkt eine Verbesserung der Kantenqualität, wobei gleichzeitig die optischen Eigenschaften des Faserverbundkunststoffs beibehalten werden können. Beispielsweise kann ein transparenter Faserverbundkunststoff bereitgestellt werden.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Additive, die Laserlicht-absorbierend und gleichzeitig transparent für sichtbares Licht sind, sind für sichtbare Wellenlängen transparent, wodurch sich der erfindungsgemäß hergestellte Faserverbundkunststoff optisch nicht oder nur in geringem Maße von herkömmlichen Faserverbundkunststoffen unterscheidet. Wenn nur in geringem Maße vom optischen Erscheinungsbild und den optischen Eigenschaften eines herkömmlichen Faserverbundkunststoffs abgewichen wird, bedeutet dies, dass der erfindungsgemäße Faserverbundkunststoff zwar transparent ist, d. h. für mindestens 80%, bevorzugt mindestens 90% des Lichts der Wellenlänge im sichtbaren Bereich durchlässig ist, aber dass dieser nicht stets farblos sein muss, sondern eine Verfärbung, beispielsweise eine leichte Grün- oder Blaufärbung, unter bestimmter Beleuchtung zeigt.
Durch Zugabe von erfindungsgemäßen Additiven wird das Licht der Wellenlänge des eingesetzten Lasers absorbiert. Hierdurch wird eine deutlich höhere Absorption der Laserstrahlung erreicht, so dass eine thermische Beschädigung des Matrixmaterials in Form der Wärmeeinflusszone auf ein Mindestmaß herabgesenkt werden kann, Schmauchablagerungen, Platzer an der Oberfläche sowie die Rissbildung werden sehr deutlich reduziert. Es werden glatte, nachbearbeitungsfreie Schnittkanten erzeugt.
Die Schnittkantenqualität des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geschnittenen Faserverbundwerkstoffs wird daher in hohem Maße verbessert, so dass eine industrielle Fertigung möglich ist.
Der Laser, der im erfindungsgemäßen Verfahren zum Einsatz kommt, ist nicht weiter beschränkt. Es kann jeder fokussierbare Hochleistungslaser zum Einsatz kommen, der für das Schneiden von Faserverbundkunststoffen geeignet ist. Beispielsweise kann ein Festkörperlaser, Halbleiterlaser oder Gaslaser eingesetzt werden. Insbesondere bevorzugt sind Festkörperlaser, zu denen Faserlaser und Scheibenlaser gehören. Ganz besonders bevorzugt werden Laser-remote-Systeme eingesetzt.
Die Materialien, die für den Faserverbundkunststoff verwendet werden, sind im Rahmen der Erfindung nicht weiter beschränkt. Es kann jedes dem Fachmann bekannte Material zum Einsatz kommen, das für die Verwendung in einem Faserverbundwerkstoff geeignet ist. Das Matrixsystem und die Verstärkungsfasern werden je nach dem gewünschten Einsatzgebiet ausgewählt.
Das Matrixsystem umfasst in der Regel ein oder mehrere Harze in Form von ein oder mehreren Polymeren und Zusatzstoffe, wie Härter und dergleichen.
Als Material für die Matrix werden üblicherweise die folgenden Polymere eingesetzt: Duromere, Elastomere und/oder Thermoplaste. Besonders bevorzugt sind duroplastische (duromere) Matrixsysteme. Beispielhafte thermoplastische Polymere sind Polyamide (PA), Polyetheretherketone (PEEK), Polyphenylsensulfide (PPS), Polysulfone (PSU), Polyetherimide (PEI) und Polytetrafluorethene (PTFE). Duroplastische Polymere sind beispielsweise Epoxidharze, ungesättigte Polyesterharze, Vinylesterharze, Phenolfomaldehydharze, Diallylphthalatharze, Methacrylatharze, Polyurethane, Aminoharze, wie beispielsweise Melaminharze, und Harnstoffharze. Elastomere, die als Matrix in Frage kommen, sind beispielsweise Gummi und Polyurethane.
Das Material für die Verstärkungsfasern wird üblicherweise ausgewählt aus Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Kieselsäurefasern, Polyesterfasern, Nylonfasern, Polyethylenfasern, Borfasern, Basaltfasern, Stahlfasern, Naturfasern, wie Flachsfasern, Hanffasern, Holzfasern und Sisalfasern und/oder Keramikfasern. Besonders bevorzugt sind Kohlenstofffasern.
Auch das Additiv ist im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht weiter beschränkt, sofern dieses im sichtbaren Spektralbereich (VIS) transparent ist und Licht der Wellenlänge des eingesetzten Lasers absorbiert. Es kann auch eine Mischung von zwei oder mehreren Additiven zum Einsatz kommen.
Die Additive sind vorzugsweise ausgewählt aus Laser-sensitiven oder Laser-aktiven Pigmenten und/oder Partikeln. Beispielhaft genannt seien: Fabulase^®, wie Fabulase^® 361, Iriotec^®, wie Pigmente aus der Iriotec 8000^® Serie, und andere Materialien.
Das oder die Additive absorbieren Licht der Wellenlänge, bei dem der einzusetzende Laser arbeitet. Diese Wellenlänge liegt üblicherweise im Bereich von etwa 350 nm bis etwa 2 μm, bevorzugt im Bereich von 1,03 bis 1,08 μm.
Die ein oder mehreren Additive können vor, während und/oder nach der Herstellung des Faserverbundkunststoffs zugegeben werden. Dies hängt beispielsweise von der gewählten Zusammensetzung und dem Aufbau des hergestellten Faserverbundkunststoffs und dem durchgeführten Herstellungsverfahren ab.
Werden die ein oder mehreren Additive vor der Herstellung des Faserverbundkunststoffs zugegeben, so können diese Additive einem oder mehreren Verbindungen, insbesondere den Ausgangsmaterialien, die bei Herstellung des Faserverbundkunststoffs verwendet werden, zugesetzt werden. Beispielsweise können diese zum Matrixsystem zugegeben und in dieses eingemischt werden. Nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform können die ein oder mehreren Additive unmittelbar zum Harz oder zu den Harzen, welche das Matrixsystem aufbauen, zugegeben werden. Dem Harz oder den Harzen wird regelmäßig ein Härter zugesetzt, so dass die ein oder mehreren Additive auch dem Härter zugesetzt werden können. Alternativ können die ein oder mehreren Additive auch zu einer Mischung aus Harz(en) und Härter zugegeben werden. Dann wird der Faserverbundkunststoff gemäß einem der bekannten Herstellungsverfahren unter Erhalt der gewünschten Form und Größe hergestellt.
Bekannte Herstellungsverfahren für Faserverbundkunststoffe sind beispielsweise Handlegeverfahren, insbesondere ein Handlaminieren, ggf. unter Verwendung einer Vakuumpresse, Verwendung der Prepreg-Technologie, Vakuum-Infusion, Faserwickeln, Faserspritzen, Spritzgussverfahren, Spritzpressen oder Resin-Transfer-Moulding (RTM), Strangziehverfahren und andere dem Fachmann bekannte Verfahren.
Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Variante können die ein oder mehreren Additive auch nach der Herstellung zum fertigen Faserverbundkunststoff zugegeben werden. In diesem Fall können die ein oder mehreren Additive bevorzugt auf die Oberfläche des Faserverbundkunststoffs, der beispielsweise in Form eines Laminats vorliegt, aufgetragen werden. Die ein oder mehreren Additive können auch in der Weise auf den Faserverbundkunststoff aufgebracht werden, dass diese in der Form, in der der Faserverbundkunststoff hergestellt werden soll, aufgebracht oder in diese eingebracht werden. Alternativ können die ein oder mehreren Additive auch zum Trennmittel, das bei der Formgebung des Faserverbundkunststoffs zum Einsatz kommt, zugegeben werden. Dies ist insbesondere bei werkzeuggebundenen Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundkunststoffs eine vorteilhafte Ausführungsform.
Die ein oder mehreren erfindungsgemäß eingesetzten Additive können auch zu einem Zwischenprodukt, das während der Herstellung des Faserverbundkunststoffs vorliegt, zugegeben werden. Die Zwischenprodukte sollen erfindungsgemäß auch Halbzeug und Halbfabrikate bzw. -produkte umfassen.
Derartige Zwischenprodukte sind beispielsweise Prepregs, sog. mit Matrixwerkstoff vorimprägnierte Fasermatten, wobei das Harz nicht mehr flüssig sondern bereits eine hochviskose bzw. nicht ausgehärtete Konsistenz aufweist. Ein weiteres bekanntes Zwischenprodukt bei der Faserverbundkunststoffherstellung sind sogenannte Preformlinge. Erfindungsgemäß bevorzugt werden die ein oder mehreren Additive, sofern diese während der Herstellung des Faserverbundkunststoffs zugegeben werden sollen, beispielsweise zu Prepregs und/oder Preformlingen zugegeben und in diese eingearbeitet.
Erfindungsgemäß kann auch eine Kombination der geschilderten Zugabevarianten vorliegen, so dass die Zugabe der ein oder mehreren Additive vor, während und/oder nach der Herstellung des Faserverbundkunststoffs erfolgen kann.
Das Additiv kann als Feststoff, in flüssiger oder in suspendierter Form zugegeben werden. Besonders bevorzugt ist die Zugabe in fester Form, insbesondere als Pulver oder Granulat.
Die Menge des zugegebenen Additivs ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht besonders beschränkt, solange es die für die Anwendung erforderlichen Eigenschaften des hergestellten Faserverbundkunststoffs nicht nachteilig beeinflusst. Die eingesetzte Menge liegt beispielsweise im Bereich von 0,5 bis 10%, besonders bevorzugt von 2 bis 6%, insbesondere bevorzugt 3 bis 4%, ganz besonders bevorzugt 3,15%, bezogen auf das Gewicht des Harzanteils des Matrixwerkstoffs.
Bevorzugt werden die ein oder mehreren Additive in und/oder auf dem Faserverbundkunststoff homogen verteilt, beispielsweise durch Einmischen in das Matrixsystem. Eine inhomogene Verteilung ist ebenfalls möglich aber in der Regel nicht bevorzugt.
Im Anschluss erfolgt das Schneiden des hergestellten Faserverbundkunststoffs mit einem Laser unter Erhalt der gewünschten Form und Größe des Faserverbundkunststoff-Bauteils. Besonders bevorzugt sind Lasersysteme mit einer Wellenlänge im Bereich von etwa 1 μm in Form eines fasergeführten Lasersystems im Leistungsbereich von 10 W bis mehrere 10 kW. Ganz besonders bevorzugt sind Laser-remote-Systeme.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Faserverbundkunststoff, aufgebaut aus einer duromeren, elastomeren und/oder thermoplastischen Matrix und Verstärkungsfasern, der ein oder mehrere Additive aufweist, die im sichtbaren Spektralbereich transparent sind und das Licht einer Wellenlänge eines Lasers absorbieren.
Faserverbundkunststoffe finden in allen Bereichen Verwendung, in denen faserverstärkte Kunststoffe verarbeitet werden. Dies sind im Wesentlichen die Flugzeugindustrie, die Automobilindustrie, die Windkraftbranche, bei Sportgeräten, Nutzfahrzeugen, Militärfahrzeugen, Sicherheitsausrüstungen, Möbeln, Kleidern, Haushaltsgeräten, Bauwerken, Brücken, Booten, in der Luft- und Raumfahrttechnik, bei Rennwagen, Rennrädern, Leiterplatten, Eisenbahnschwellen und dergleichen.
Nach heutigem technologischem Stand ist es erforderlich, dass grundsätzlich alle Bauteile aus den gängigen Herstellungsverfahren für Faserverbundkunststoffe nachbearbeitet werden. Gängige Nachbearbeitungen sind beispielsweise das Besäumen, Erzeugen von Ausschnitten, Bohrungen, Öffnungen, Form- und Konturgebung und dergleichen. Hierbei kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz kommen, wodurch eine höhere Produktivität aufgrund höherer Vorschübe sowie geringere Schädigungszonen und damit insgesamt höhere Qualität bereitgestellt werden kann.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind daher mannigfaltig:
So wird durch Bereitstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Schneiden von Faserverbundkunststoffen mit einem Laser möglich, wobei ein Ausfasern des Materials im Schnittbereich vermieden wird. Die Schnittkantenqualität des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geschnittenen Faserverbundwerkstoffs wird daher in hohem Maße verbessert.
Die erfindungsgemäß eingesetzten ein oder mehreren Additive sind für sichtbares Licht transparent. Daher sind diese im sichtbaren Spektralbereich transparent, wodurch sich der erfindungsgemäß hergestellte Faserverbundwerkstoff optisch nicht von herkömmlichen Faserverbundwerkstoffen ohne Additiv(e) unterscheidet. Die bekannten vorteilhaften Eigenschaften für einen Faserverbundkunststoff, wie beispielsweise hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit bleiben dennoch erhalten, die optischen Eigenschaften und auch das äußere Erscheinungsbild des Faserverbundkunststoffs werden nicht nachteilig beeinflusst. Beispielsweise kann ein transparenter Faserverbundkunststoff bereitgestellt werden.
Die ein oder mehreren im sichtbaren Spektralbereich transparenten Additive absorbieren außerdem das Licht der Wellenlänge des eingesetzten Lasers, wodurch eine deutlich höhere Absorption der verwendeten Laserstrahlung resultiert. Hierdurch sinkt die thermische Beschädigung des Matrixmaterials deutlich, so dass die Größe der Wärmeeinflusszone signifikant verringert werden kann. Andere Beschädigungen des Faserverbundkunststoffs, die üblicherweise beim Laserschneiden auftreten, wie Schmauchablagerungen, Abplatzer an der Oberfläche und Rissbildungen, werden ebenfalls deutlich reduziert. Inhomogenitäten im Faserverbundkunststoff, insbesondere Ansammlungen im Matrixsystem und/oder bei den Fasern, behindern die Durchtrennung nicht. Eine glatte Schnittkante wird erhalten.
Besonders vorteilhaft beim Verfahren der vorliegenden Erfindung ist der Einsatz eines Laser-remote-Systems. Dabei wird nicht nur eine hohe Bearbeitungsqualität erhalten, sondern bei gesteigerter Verfahrensgeschwindigkeit auch eine hohe Stückzahl bearbeitbar, so dass eine Massenproduktion möglich ist.
Die vorliegende Erfindung stellt daher ein Verfahren bereit, mit dem das Laser(strahl)schneiden von Faserverbundkunststoffen derart verbessert werden kann, dass beim Schneiden eine Verbesserung der Kantenqualität bei gleichzeitiger Steigerung der Effizienz des Verfahrens erreicht wird. Eine Nachbearbeitung der Schneidkante ist regelmäßig nicht erforderlich.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von 1 näher erläutert, ohne die Erfindung hierauf zu beschränken.
1 veranschaulicht eine beispielhafte schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens der vorliegenden Erfindung.
In 1 ist eine mögliche Ausführungsform eines Faserverbundkunststoffs 10 dargestellt. Dieser ist im gezeigten Beispielfall aus Fasern 20 und einer Matrix 30 aufgebaut. Die Fasern 20 sind in der gezeigten Ausführungsform in der Matrix 30 eingebettet. Selbstverständlich sind andere Ausführungsformen des Faserverbundkunststoffs 10 möglich.
In der gezeigten Ausführungsform wurde zum Matrixsystem 30 vor und während der Herstellung des Faserverbundkunststoffs ein Additiv 40 zugegeben und in dieses eingemischt. Das Additiv 40 ist in der Matrix 30 homogen verteilt. Das Additiv 40 ist im gezeigten Beispiel Fabulase^® und ist im sichtbaren Spektralbereich transparent und für die Absorption einer Wellenlänge von 1,064 nm optimiert. Andere Additive sind ebenfalls möglich.
Nach Herstellung des Faserverbundkunststoffs 10 wird dieser unter Verwendung eines Lasers 50 bearbeitet. Hierzu ist in 1 das Schneiden des Faserverbundkunststoffs 10 unter Verwendung eines Lasers 50 schematisch in vereinfachter Form dargestellt. Der Laser 50 ist im gezeigten Fall ein Festkörperlaser. Dieser Laser 50 strahlt Licht 55 mit der Wellenlänge von 1,070 bis 1,080 nm ab. Dadurch, dass das in der Matrix 30 verteilte Additiv 40 Licht der Wellenlänge des verwendeten Lasers 50 absorbiert, kann der Energieeintrag in den Faserverbundkunststoff 10 entsprechend verringert werden und nachteilige Beeinträchtigungen des Faserverbundkunststoff 10 können verhindert werden. Durch Schneiden unter Verwendung des Lasers 50 wird eine Schnittfuge 60 erhalten, die glatte Schnittkanten aufweist. Eine Nachbearbeitung der Kante kann daher weggelassen werden.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen veranschaulicht, welche die vorliegende Erfindung nicht beschränken sollen.
Beispiel:
Faserverbundkunststoff mit erfindungsgemäßem Additiv:
Es wurde ein Faserverbundkunststoff hergestellt, der aus folgenden Materialien aufgebaut ist:

– Material des Matrixsystems: HACOPOL R131 (Harz), H530 (Härter).
– Material der Verstärkungsfasern: Kohlenstofffaser, TORAY T700SC60E 24K.

Der Faserverbundkunststoff wurde mittles Vakuuminfusion hergestellt.
Ein Additiv, das für Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich transparent ist und Licht der Wellenlänge des eingesetzten Lasers absorbiert, wurde in Form von FABULASE^® 361 als Pulver bereitgestellt. Dieses Additiv wurde in einer Menge von 3,15 Gew.-% in Bezug auf den Harzanteil in Pulverform in das Matrixsystem des Faserverbundkunststoffs während der Herstellung zugegeben und homogen eingemischt.
Nach Herstellung des Faserverbundkunststoffs wurde der erhaltene Faserverbundkunststoff mit einem Laser geschnitten. Hierbei wurde folgender Laser eingesetzt: IPG YLS-5000-C.
Die Parameter beim Laserschneiden waren wie folgt: Leistung 1 kW, Vorschub 0,06–4,8 m/s, Belichtungsanzahl 1...400.
Vergleichsbeispiel
Faserverbundkunststoff ohne erfindungsgemäßes Additiv:
Es wurde derselbe Faserverbundkunststoff wie im obigen Beispiel hergestellt, jedoch wurde kein erfindungsgemäßes Additiv zum Faserverbundkunststoff zugesetzt. Der erhaltene Vergleichsfaserverbundkunststoff wurde ebenfalls einem Laserschneiden mit demselben Laser und unter Verwendung derselben Parameter wie im obigen Beispiel unterzogen.
Um die Qualität der Schnittkanten zu untersuchen, wurden diese per Augenschein und unter einem Mikroskop untersucht. Der Vergleichsfaserverbundkunststoff zeigte eine deutliche Ausfaserung des Materials im Schnittbereich. Demgegenüber zeigte der erfindungsgemäß hergestellte Faserverbundkunststoff eine glatte Schnittkante, praktisch ohne Ausfaserungen, so dass keine Nachbearbeitung der Schnittkante erforderlich war. Der erfindungsgemäß hergestellte Faserverbundkunststoff zeigte außerdem im Vergleich zum nicht erfindungsgemäßen Faserverbundkunststoff:

– eine geringere Wärmeeinflusszone und
– ein deutlich reduziertes Aufplatzen.

Bezugszeichenliste

10: Faserverbundkunststoff
20: Fasern
30: Matrix
40: Additiv
50: Laser
55: Laserstrahl
60: Schnittfuge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

”Remote Laser Cutting of CFRP: Improvements in the Cut Surface”, Johannes Stock, Michael F. Zaeh, Markus Conrad, Physics Procedia, 39 (2012) S. 161–170 [0009]

Claims

Verfahren zum Schneiden von Faserverbundkunststoff unter Verwendung eines Lasers, wobei der Faserverbundkunststoff ein Matrixsystem und Verstärkungsfasern enthält oder hieraus besteht, umfassend die Schritte: – Zugeben von einem oder mehreren Additiven, das/die im sichtbaren Spektralbereich (VIS) transparent ist/sind und Licht der Wellenlänge eines einzusetzenden Lasers absorbiert/en, zum Faserverbundkunststoff, wobei die Zugabe vor, während und/oder nach der Herstellung des Faserverbundkunststoffs erfolgt, und – Durchführen eines Schneidvorgangs mit dem Laser.
Verfahren zum Schneiden von Faserverbundkunststoffen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Additiv/e ausgewählt werden aus Laser-sensitiven oder Laser-aktiven Pigmenten und/oder Partikeln, bevorzugt Fabulase^®, insbesondere Fabulase^® 361, oder Iriotec^®.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Matrixsystems des Faserverbundkunststoffs ausgewählt wird aus der Gruppe, bestehend aus Duromeren, Elastomeren und/oder Thermoplasten, besonders bevorzugt ausgewählt aus Polyamiden (PA), Polyetheretherketonen (PEEK), Polyphenylsensulfiden (PPS), Polysulfonen (PSU), Polyetherimiden (PEI), Polytetrafluorethenen (PTFE), Epoxidharzen, ungesättigten Polyesterharzen, Vinylesterharzen, Phenolfomaldehydharzen, Diallylphthalatharzen, Methacrylatharzen, Polyurethanen, Aminoharzen, wie Melaminharzen, Harnstoffharzen, Gummi und Polyurethanen und das Material der Verstärkungsfasern ausgewählt wird aus der Gruppe, bestehend aus Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Kieselsäurefasern, Polyesterfasern, Nylonfasern, Polyethylenfasern, Borfasern, Basaltfasern, Stahlfasern, Naturfasern, wie Flachsfasern, Hanffasern, Holzfasern, Sisalfasern und/oder Keramikfasern.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Additive vor und/oder während der Herstellung des Faserverbundkunststoffs zugegeben werden, indem diese zum Matrixsystem, bevorzugt zum Material des Matrixsystems und/oder dem Härter, zugegeben und in dieses eingemischt werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Additive nach der Herstellung des Faserverbundkunststoffs auf den fertigen Faserverbundkunststoff aufgetragen oder aufgebracht werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Additive während des Herstellungsverfahrens des Faserverbundkunststoffs zu einem Zwischenprodukt zugegeben und in dieses eingearbeitet werden, wobei das Zwischenprodukt bevorzugt ausgewählt wird aus Halbzeug, Halbfabrikaten oder -produkten, besonders bevorzugt Prepregs oder Preformlingen.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Additive während der Herstellung des Faserverbundkunststoffs auf die Form und/oder in das Trennmittel gegeben werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Additive in flüssiger Form, bevorzugt als Lösung oder Dispersion, oder in Pulverform, besonders bevorzugt in Pulverform, zugegeben werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Additive in einer Menge von 0,5% bis 10%, besonders bevorzugt von 2% bis 6%, insbesondere 3% bis 4%, ganz besonders bevorzugt 3,15%, bezogen auf das Gewicht des Harzanteils des Matrixmaterials, zugegeben werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ausgewählt wird aus einem hochfokussierenden Hochleistungslaser, bevorzugt ein Festkörperlaser, Halbleiterlaser oder Gaslaser.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser bei einer Wellenlänge im Bereich von 1,03 bis 1,08 arbeitet.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserschneiden mit den folgenden Parametern durchgeführt wird: 30.000 W, Vorschub 0,01–50 m/s, Belichtungsanzahl 1...400.
Faserverbundkunststoff, der aus einem Matrixsystem und Verstärkungsfasern aufgebaut ist, wobei das Material des Matrixsystems ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Duromeren, Elastomeren und/oder Thermoplasten, besonders bevorzugt ausgewählt aus Polyamiden (PA), Polyetheretherketonen (PEEK), Polyphenylsensulfiden (PPS), Polysulfonen (PSU), Polyetherimiden (PEI), Polytetrafluorethenen (PTFE), Epoxidharzen, ungesättigten Polyesterharzen, Vinylesterharzen, Phenolfomaldehydharzen, Diallylphthalatharzen, Methacrylatharzen, Polyurethanen, Aminoharzen, wie Melaminharzen, Harnstoffharzen, Gummi und Polyurethanen und das Material der Verstärkungsfasern ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Kieselsäurefasern, Polyesterfasern, Nylonfasern, Polyethylenfasern, Borfasern, Basaltfasern, Stahlfasern, Naturfasern, wie Flachsfasern, Hanffasern, Holzfasern, Sisalfasern und/oder Keramikfasern, umfassend ein oder mehrere Additive, die für Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich transparent sind und Licht der Wellenlänge des beim Laserschneiden eingesetzten Lasers absorbieren.
Faserverbundkunststoff, nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Additiv/e ausgewählt sind aus Laser-sensitiven oder Laser-aktiven Pigmenten und/oder Partikeln, bevorzugt Fabulase^®, insbesondere Fabulase^® 361, oder Iriotec^®
Faserverbundkunststoff, nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Additive in einer Menge von 0,5% bis 10%, besonders bevorzugt von 2% bis 6%, insbesondere 3% bis 4%, ganz besonders bevorzugt 3,15%, bezogen auf das Gewicht des Harzanteils des Matrixmaterials, im und/oder auf dem Faserverbundkunststoff vorliegen.